异种金属的连结的制作方法

激光焊接是一种金属连结工艺，其依赖于激光束来提供将堆叠的金属工件组件连结在一起所需的热量。长期以来，激光焊接被用于将类似组成的金属工件熔接在一起。通常，两个或更多个类似组成的金属工件的互补凸缘或其他结合区域首先相对于彼此对齐、装配和堆叠，使得它们的搭接面重叠并面对以建立一个或多个搭接界面。然后，激光束在工件的重叠部分跨越的焊接区域内被引导向工件堆叠的可触及顶表面上。由激光束吸收能量产生的热量引发金属工件的熔化，并在工件堆叠内建立熔融焊接金属池。熔融焊接金属池渗透到堆叠中并与至少一个，通常是所有已建立的搭接界面相交。并且，如果激光束的功率密度足够高，则在熔融焊接金属池内的激光束的光束斑下方产生孔眼。孔眼是汽化金属柱，其可包括源自金属工件的等离子体。孔眼是来自激光束的有效能量吸收器，因此允许熔融工件金属深渗透和浅渗透到堆叠中。

一旦激光束照射工件堆叠的顶表面，熔融焊接金属池和(如果存在的话)孔眼就以非常短的顺序产生。在金属工件最初熔化之后，激光束的光束斑可以相对于工件堆叠的顶表面前进，这可以包括沿着如投射在堆叠的顶表面上的相对简单的几何轮廓的束行进图案移动激光束。随着激光束沿着堆叠的顶表面前进，来自熔融焊接金属池的熔融工件金属在工件堆叠内的前进光束斑周围和后面流动。随着前进的激光束进入重新固化的金属工件材料，这种渗透的熔融工件金属快速冷却并固化。一旦激光束完成跟踪光束行进图案，激光束在工件堆叠的顶表面的传输最终停止，此时孔眼坍塌(如果存在的话)，并且仍然保留在堆叠内的任何熔融工件金属固化。通过操作激光束获得的集体再固化的工件材料构成激光焊接接头，其将重叠的金属工件自动熔接焊接在一起。

激光焊接是一种有吸引力的连结工艺，因为它仅需要单侧触及，可以以减小的凸缘宽度实施，并且在使金属工件中的热变形最小化的堆叠组件内产生相对小的热影响区。出于这个原因，许多行业使用激光焊接作为其生产实践的一部分，包括但不限于汽车、航空、海事、铁路和建筑行业。例如，在汽车工业中，激光焊接可用于在制造白车身(biw)期间将金属工件连结在一起，以及在涂漆之前安装在biw上的成品悬挂部件。可以使用激光焊接的一些特定示例包括在biw内构造和附接承载体结构，比如轨道结构、摇臂、a柱、b柱和c柱，以及车身底板横梁。也可以使用激光焊接的其他特定情况包括biw内的非承载附件，比如车顶与侧板的附接，以及车顶与车门、发动机罩和行李箱结构中遇到的上覆凸缘连结。

然而，最近，特别是在汽车工业中，人们越来越关注将异种金属工件连结在一起，使得某些金属可以基于各种金属的效用更适当地分配在所制造的产品中。通过示例，汽车biw的制造可能要求在需要强度的区域中使用钢，但也可能寻求在轻质金属同样可接受的区域中加入铝。因此，铝和钢质工件可能必须在整个biw的不同位置处连结。不同金属工件的激光焊接提出了许多挑战，因为工件将不可避免地具有不同的成分和不同的性质，比如熔点和热导率。另外，如果两个金属工件实际上可以通过激光束有序地熔化，则来自每个异种金属工件的不同熔融金属材料的混合可能导致大规模形成脆性金属间化合物，其可能会严重弱化合成的激光焊接接头。

考虑到将异种金属工件与比如激光束之类的热源连结在一起所涉及的冶金和实际挑战，产品制造商主要依靠机械紧固件，比如自穿孔铆钉和流钻螺钉来实现必要的连结。然而，与激光焊接相比，机械紧固件需要更长的时间并且具有高的消耗成本。它们还增加了通过激光焊接实现连结时避免的车辆重量-这可以抵消通过首先使用异种金属工件实现的一些重量减轻。更进一步地，如果异种金属工件可以通过现有的激光焊接设备连结，则可以避免机械紧固件需要额外的制造设备和占地面积分配。因此，使得更容易连结异种金属工件的激光焊接的进步将在本领域变得额外受欢迎。

技术实现要素：

根据本公开的一个实施例的焊接包括异种金属工件的工件堆叠组件的方法可包括若干步骤。在一个步骤中，提供包括顶部金属工件和下部金属工件的工件堆叠组件，该顶部金属工件和下部金属工件重叠以限定重叠的焊接区域。顶部金属工件上覆下部金属工件并覆盖在下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部。顶部金属工件包含基础金属基材，并且下部金属工件包含基础金属基材。顶部金属工件的基础金属基材不同于下部金属工件的基础金属基材，并且其熔点小于下部金属工件的基础金属基材的熔点。在另一步骤中，顶部金属工件的一部分用集中热源熔化，以产生顶部金属工件的熔融金属材料，该熔融金属材料流入在下部工件中限定的至少一个侵入式中空特征部中。在另一步骤中，允许顶部金属工件的熔融金属材料在下部工件中限定的至少一个侵入式中空特征部中固化，以建立冶金地将顶部金属工件和下部金属工件固定在一起的焊接接头。

前述实施例的方法可以包括附加步骤或者进一步定义。例如，提供工件堆叠组件的步骤可包括在下部金属工件中形成至少一个侵入式中空特征部，并将顶部金属工件和下部金属工件组装到工件堆叠组件中。至少一个侵入式中空特征部可以通过将激光束引导向下部金属工件上以熔化并从下部金属工件上移除材料来形成。作为另一个示例，用集中热源熔化顶部金属工件的一部分的步骤可以包括将激光束引导向顶部金属工件的可触及外表面并且在可触及外表面处训练激光束的光束斑或者沿着光束行进图案使光束斑相对于可触及外表面前进，以熔化顶部金属工件的一部分。将激光束引导向顶部金属工件的可触及外表面可以包含操作扫描光学激光头以将激光束引导向顶部金属工件的可触及外表面，其中激光束的焦距范围从0.4米到2.0米。

在上述实施例的方法中，在下部金属工件中形成的侵入式中空特征部可以采用各种形状和尺寸中的任何一种。在一种实施方式中，侵入式中空特征部可以是完全横穿下部金属工件的厚度的通孔。通孔可以由下部金属工件的内表面限定。下部金属工件的内表面可以是锯齿状的，使得限定通孔的内表面包括一个或多个凹口，这些凹口轴向间隔开并且至少部分地沿着内表面的周边延伸。在另一种实施方式中，侵入式中空特征部可以是腔室，该腔室通向顶部金属工件的相邻搭接面并且仅部分地横穿下部金属工件的厚度。腔室可以由下部金属工件的内表面限定。下部金属工件的内表面可以是锯齿状的，使得限定腔室的内表面包括一个或多个凹口，这些凹口轴向间隔开并且至少部分地沿着内表面的周边延伸。

除了顶部和下部金属工件之外，前述实施例的方法的工件堆叠组件可以包括至少一个附加的金属工件。例如，在一种实施方式中，工件堆叠组件可包括第一下部金属工件和第二下部金属工件。为此，顶部金属工件上覆第一下部金属工件，并且第一下部金属工件上覆第二下部金属工件。第一下部金属工件限定至少一个侵入式中空特征部，该中空特征部完全横穿第一下部金属工件的厚度并与在第二下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部连通。因此，顶部金属工件的熔融金属材料流入并穿过在第一下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部，也流入在第二下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部中。此外，在第二下部金属工件中限定的侵入式中空特征部可以是通向第一下部金属工件的相邻搭接面并且仅部分地横穿第二下部金属工件的厚度的腔室。腔室可以由第二下部金属工件的内表面限定。内表面可以是锯齿状的，使得限定腔室的内表面包括一个或多个凹口，这些凹口轴向间隔开并且至少部分地沿着内表面的周边延伸。

前述实施例的方法的其他变型当然是可能的。例如，顶部金属工件可以是铝质工件，并且下部金属工件可以是钢质工件。作为另一个示例，至少一个侵入式中空特征部可以包含多个侵入式中空特征部。此处未具体提及的其他变化也是可能的。

根据本公开另一实施例的焊接包括异种金属工件的工件堆叠组件的方法可包括若干步骤。在一个步骤中，可以在钢质工件中形成至少一个侵入式中空特征部。在另一个步骤中，铝质工件和钢质工件可以组装成工件堆叠组件，其中铝质工件与钢质工件重叠并且覆盖在钢质工件中限定的至少一个侵入式中空特征部。在又一步骤中，用激光束熔化铝质工件的一部分以产生熔融铝材料，该熔融铝材料流入在钢质工件中限定的至少一个侵入式中空特征部中。在另一步骤中，允许熔融铝材料在钢质工件中限定的至少一个侵入式中空特征部中固化，以建立将铝质工件和钢质工件固定在一起的焊接接头。

前述实施例的方法可以包括附加步骤或者进一步定义。例如，侵入式中空特征部可以是完全横穿钢质工件的厚度的通孔，或者它可以是通向铝质工件的相邻搭接面并且仅部分地横穿钢质工件的厚度的腔室。在任何一种情况下，钢质工件的内表面限定了侵入式中空特征部可以是锯齿状的。在另一个示例中，用激光束熔化铝质工件的一部分的步骤可包括将激光束从远程激光焊接设备的扫描光学激光头引导向铝质工件的可触及外表面，其中激光束的焦距范围从0.4米到2.0米，并在可触及外表面上训练激光束的光斑，或者沿着光束行进图案相对于可触及外表面使光束斑前进以熔化铝质工件的一部分。在又一个示例中，该方法可以进一步包括相对于激光束定位填充焊丝，使得填充焊丝被激光束照射以熔化填充焊丝并将熔融填充材料引入熔融铝材料中。

除了顶部和下部金属工件之外，前述实施例的方法的工件堆叠组件可以包括至少一个附加的金属工件。例如，将铝质工件和钢质工件组装到工件堆叠组件中的步骤可包括将铝质工件、钢质工件和另外的铝质工件组装到工件堆叠中。铝质工件与钢质工件重叠并覆盖钢质工件中限定的至少一个侵入式中空特征部，其完全横穿钢质工件的厚度，并且钢质工件与附加的铝质工件重叠，使得在钢质工件中限定的至少一个侵入式中空特征部与在附加铝质工件中限定的至少一个侵入式中空特征部连通。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的工件堆叠组件的总体图示，该工件堆叠组件包括重叠的异种金属工件以及可以执行将重叠的异种金属工件连结在一起的所公开方法的远程激光焊接设备；

图2是根据本公开的一个实施例的在下部金属工件内形成侵入式中空特征部期间的如图1中所示的工件堆叠组件的下部金属工件的剖视图；

图3是根据本公开的一个实施例的如图1中所示的工件堆叠组件的剖视图，其中顶部金属工件叠加在下部金属工件上，以覆盖在下部金属工件中限定的侵入式中空特征部；

图4是根据本公开的一个实施例的如图1中所示的工件堆叠组件的剖视图，其中由远程激光焊接设备传输的激光束(在此称为焊接激光束)用作熔化顶部金属工件的热源，使得来自顶部金属工件的熔融金属材料流入在下部金属工件中限定的侵入式中空特征部，以最终得到将两个金属工件固定在一起的焊接接头；

图5是根据本公开的一个实施例的可以在下部金属工件内形成的侵入式中空特征部的另一实施例的剖视图；

图6是根据本公开的一个实施例的包括图5中所示的下部金属工件的工件堆叠组件的剖视图，还示出了由远程激光焊接设备传输的用作熔化顶部金属工件的热源的激光束(在此称为焊接激光束)，使得来自顶部金属工件的熔融金属材料流入在下部金属工件中限定的侵入式中空特征部，以最终得到将两个金属工件固定在一起的焊接接头；

图7是根据本公开的一个实施例的可以在下部金属工件内形成的侵入式中空特征部的另一实施例的剖视图；

图8是根据本公开的一个实施例的包括图7中所示的下部金属工件的工件堆叠组件的剖视图，还示出了由远程激光焊接设备传输的用作熔化顶部金属工件的热源的激光束(在此称为焊接激光束)，使得来自顶部金属工件的熔融金属材料流入在下部金属工件中限定的侵入式中空特征部，以最终得到将两个金属工件固定在一起的焊接接头；

图9是描绘根据本公开的一个实施例的可以在下部金属工件内形成的多个侵入式中空特征部的平面图；

图10是描绘根据本公开另一实施例的可在下部金属工件内形成的多个侵入式中空特征部的平面图；

图11是描绘根据本公开的又一实施例的可在下部金属工件内形成的多个侵入式中空特征部的平面图；

图12是根据本公开的一个实施例的工件堆叠组件的剖视图，其中顶部金属工件叠加在第一下部金属工件和位于第一下部金属工件下面的第二下部金属工件上，以覆盖限定在完全横穿下部金属工件的厚度并与在第二下部金属工件中限定的侵入式中空特征部连通的第一下部金属工件中的侵入式中空特征部；以及

图13是根据本公开的一个实施例的图12中所示的工件堆叠组件的剖视图，其中由远程激光焊接设备传输的激光束(在此称为焊接激光束)用作熔化顶部金属工件的热源，使得来自顶部金属工件的熔融金属材料流入并通过限定在第一下部金属工件中的侵入式中空特征部，然后进入限定在第二下部金属工件中的侵入式中空特征部，以最终得到将三个金属工件固定在一起的焊接接头。

具体实施方式

将异种金属工件连结在一起的方法包括组装工件堆叠组件，该工件堆叠组件至少包括顶部金属工件和下部金属工件，其中顶部金属工件包含基础金属基材，并且下部金属工件包含与顶部金属工件的基础金属基材不同的基础金属基材。另外，顶部金属工件的基础金属基材具有比下部金属工件的基础金属基材低的熔点。顶部金属工件和下部金属工件重叠以限定重叠的焊接区域，并且在重叠的焊接区域内，顶部金属工件覆盖在下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部。然后将集中热源引导向顶部金属工件，以熔化在下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部上方的顶部金属工件的一部分，以产生熔融金属材料。顶部金属工件的熔融金属材料流入在下部金属工件中限定的至少一个侵入式中空特征部中。该熔融金属材料的渗透流通常通过停止或重新定位集中热源而被最终允许在至少一个侵入式中空特征部中固化，以建立将顶部和下部金属工件冶金地固定在一起的焊接接头。

用于熔化顶部金属工件的集中热源可采用各种形式，包括激光束或电子束。然而，优选地，集中热源是激光束。可以使用任何类型的激光焊接设备来传输激光束，包括例如远程激光焊接设备或传统的激光焊接设备。根据所连结的金属工件的特性和希望实施的激光焊接模式(传导、孔眼等)，所传输的激光束可以是固态激光束或气体激光束。可以使用的一些值得注意的固态激光器是光纤激光器、盘式激光器、直接二极管激光器和nd：yag激光器，可以使用的值得注意的气体激光器是co2激光器，尽管当然可以使用其他类型的激光器。在下面更详细描述的所公开方法的优选实施方式中，采用远程激光焊接设备根据需要熔化顶部金属工件的一部分，以使得来自顶部金属工件的熔融金属材料流入至少在下部金属工件内限定的一个侵入式中空特征部。如果需要，远程激光焊接设备也可用于形成至少一个侵入式中空特征部。

可以在各种工件堆叠组件配置上执行所公开的将异种金属工件连结在一起的方法。例如，所公开的方法可以与包括两个异种金属工件(例如，图1-10)的工件堆叠组件结合使用，或者它可以与包括除顶部金属工件和位于顶部金属工件下面的下部金属工件之外的至少一个附加金属工件的工件堆叠组件结合使用(例如，图12-13)。可包括在工件堆叠组件内的金属工件的类型和组合也可以变化。作为一个示例，顶部金属工件可以是包括基础铝基材(熔点为约570℃至600℃)的铝质工件，并且下部金属工件可以是包括基础钢基材(熔点约为1300℃至1500℃)的钢质工件。并且，除了这两个金属工件(铝钢)之外，尽管附加的金属工件(如果存在的话)可以是另一个铝质工件，但是也可以使用其他工件。无论工件堆叠组件是否包括两个重叠的金属工件或多于两个重叠的金属工件，所公开的方法以基本相同的方式执行以实现相同的结果。通过调节所采用的激光束或其他集中热源的特性，可以容易地适应工件堆叠组件配置的任何差异。

现在参考图1-4，示出了连结工件堆叠组件10中包括的重叠的异种金属工件的方法。工件堆叠组件10包括顶部金属工件12和重叠以限定重叠的焊接区域16的下部金属工件14。还示出了可以执行所公开的连结合方法的远程激光焊接设备18。在工件堆叠组件10的该特定实施例的重叠焊接区域16内，顶部金属工件12包括可触及外表面20和搭接面22，并且同样地，下部金属工件14包括可触及外表面24和搭接面26。顶部金属工件12的可触及外表面20可供远程激光焊接设备18使用，并且可通过从远程激光焊接设备18发出的激光束28被可触及。并且由于仅需要单侧触及以进行激光焊接，因此不需要以相同的方式使下部金属工件14的可触及外表面24被可触及。这里使用的术语“顶部金属工件”和“下部金属工件”是相对标记，其在两个重叠的异种金属工件12、14内识别更接近远程激光焊接设备18(顶部)的工件和位于“顶部”金属工件下方并且远离激光焊接设备18(下面)的工件。

顶部和下部金属工件12、14的搭接面22、26在重叠的焊接区域16内相对，以建立搭接界面30。术语“搭接界面”在本公开中广泛使用，并且包括金属工件12、14的面对和搭接面22、26之间的宽范围的重叠关系，其可以适应激光焊接的实现。例如，搭接面22、26可以通过直接或间接接触来建立搭接界面30。当搭接面22、26物理地邻接时，它们彼此直接接触，并且不被分离的中间材料层或超出正常组装公差范围的间隙分开。当搭接面22、26被比如密封剂或粘合剂的分离的中间材料层分开时，它们间接接触，因此不会遇到代表直接接触的界面邻接类型，但是它们与可以实现的激光焊接足够接近。作为另一个示例，搭接面22、26可以通过被施加的间隙分开来建立搭接界面30。通过在激光刻痕、机械凹陷或其它方面在搭接面22、26中的一个或两个上形成突出特征部，进而可以在搭接面22、26之间施加这种间隙。突出特征部保持搭接面22、26之间的间断接触点，该间断接触点将表面22、26在接触点之外和周围间隔达1.0mm。

如图3中最佳所示，顶部金属工件12包括基础金属基材32，并且下部金属工件14包括与顶部金属工件12的基础金属基材32不同的基础金属基材34。顶部金属工件12的基础金属基材32的熔点小于下部金属工件14的基础金属基材34的熔点。每个基础金属基材32、34可以涂覆或裸露(即，未涂覆)，如下面将进一步描述的。由于包括防腐蚀、强度增强和/或改善加工的各种原因，还有其他原因，表面涂层的组成主要基于相关联的基础金属基材32、34的组成，可以在一个或两个基础金属基材32、34上使用表面涂层。考虑到基础金属基材32、34及其任选的表面涂层的厚度，顶部金属工件12的厚度121优选地在1.0mm至4.0mm的范围内，并且下部金属工件14的厚度141优选地在至少在重叠的焊接区域16内0.5mm至3.0mm。顶部和底部金属工件12、14的厚度121、141可以彼此相同或不同。

在一个实施例中，顶部金属工件是铝质工件，而下部金属工件是钢质工件。在这方面，顶部金属(铝)工件12的基础金属基材32是基础铝基材，其由非合金铝或包含至少85wt％铝的铝合金构成。可以构成基础铝基材的一些值得注意的铝合金是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝锌合金。另外，基础铝基材可以以锻造或铸造形式提供。例如，基础铝基材可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列可锻铝合金板层、挤压件、锻造件或其他加工制品，或4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可用作基础铝基材的一些更具体的铝合金包括aa5182和aa5754铝镁合金、aa6011和aa6022铝镁硅合金、aa7003和aa7055铝锌合金，以及al-10si-mg压铸铝合金。可以使用各式处理，包括退火(o)、应变硬化(h)和固溶热处理(t)的基础铝基材。

基础铝基材可包括许多表面涂层中的任何一种作为铝质工件的一部分。如果存在，覆盖基础铝基材的表面涂层可以是耐火氧化物涂层，其由氧化铝化合物组成，氧化铝化合物是比如当新鲜铝暴露于大气或一些其他含氧介质时和/或在制造操作(例如，研磨规模)期间等被动地形成的自然氧化物层。表面涂层也可以是由锌或锡构成的金属涂层，或者它可以是如美国专利申请第us2014/0360986号中所公开的由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层。表面涂层的典型厚度(如果存在的话)位于1nm至10μm的任何位置，这取决于表面涂层的组成和涂层的形成方式，尽管其他厚度也是可能的。例如，当下部基础铝基材是铝合金时，被动形成的耐火氧化物涂层通常具有2nm至10nm的厚度。

下部金属(钢)工件14的基础金属基材34可以由多种钢中的任何一种组成，包括低碳(软)钢、无间隙(if)钢、可烘烤硬化钢、高强度低合金(hsla)钢、双相(dp)钢、复相(cp)钢、马氏体(mart)钢、相变诱导塑性(trip)钢、缠绕诱导塑性(twip)钢和硼钢，比如当钢质工件包括压淬钢(phs)时。然而，基础钢基材的优选组合物包括用于制造压淬钢的软钢、双相钢和硼钢。这三种类型的钢具有极限拉伸强度，其分别可以为150mpa至500mpa、500mpa至1100mpa，以及1200mpa至1800mpa。此外，可以对基础钢基材进行处理以获得一组特定的机械性能，包括进行热处理工艺，比如退火、淬火和/或回火。基础钢基材可以热轧或冷轧至其最终厚度。

基础钢基材可包括许多表面涂层中的任何一种作为钢基材的一部分。如果存在，覆盖基础钢基材的表面涂层可以是锌基材料或铝基材料。锌基材料的一些示例包括锌或锌合金，比如锌镍合金或锌-铁合金。可以通过热浸镀锌(热浸镀锌锌涂层)、电镀锌(电镀锌涂层)、电沉积(电沉积锌、锌-铁合金或锌-镍合金)或镀锌退火(镀锌退火锌铁合金)来涂覆锌基材料涂层，尽管可以采用所获得的表面涂层的其他工序和厚度，但是通常厚度在2μm至50μm之间。合适的铝基材料的一些示例包括铝、铝-硅合金、铝-锌合金和铝镁合金。可以通过浸涂涂覆铝基材料的涂层，通常厚度为2μm至30μm，但是可以采用其他涂覆工序和所获得的涂层的厚度。

下部金属工件14限定在重叠的焊接区域16内被顶部金属工件12、特别是顶部金属工件12的搭接面22覆盖的至少一个侵入式中空特征部36。侵入式中空特征部36由下部金属工件14的内表面38限定。在一个实施方式中，如图1-4所示，侵入式中空特征部36是完全横穿下部金属工件14的厚度141的通孔40；也就是说，通孔40在其可触及外表面和搭接面24、26中的每一个之间延伸并且通向其。通孔40的尺寸基于许多因素而变化，包括顶部和下部金属工件12、14的厚度121、141以及是否仅存在单个通孔40或具有相同或不同尺寸和形状的其他侵入式中空特征部36是否存在并组合在一起。例如，如果仅存在单个通孔40，如图1-4所示，通孔40的平均直径401可以在2.0mm至15.0mm的范围内，或者更窄地，在5.0mm至10.0mm的范围内。另一方面，如果存在多个通孔40并将它们组合在一起，则每个通孔40的平均直径401可以在0.5mm至5.0mm的范围内，或者更窄地，在1.0mm至3.0mm的范围内。如果存在多个通孔40，则优选地将三到十五个通孔40中的任何一个组合在一起并且包含在下部金属工件14的搭接面26上的跨越15mm²到400mm²的表面区域42(图1)内。

返回参考图1，远程激光焊接设备18包括扫描光学激光头44。一般而言，并且参考工件堆叠组件10的时刻，扫描光学激光头44将激光束28的传输引向顶部金属工件12的可触及外表面20。定向激光束28具有光束斑281，其是沿着顶部金属工件12的可触及外表面20定向的平面处的激光束28的截面区域，如图3中最佳所示。扫描光学激光头44优选地安装到机械臂46(部分示出)，该机械臂46可以根据编程指令在顶部金属工件12的可触及外表面20上方的三维空间中快速且准确地携带激光头44。与扫描光学激光头44结合使用的激光束28优选地是以电磁光谱的近红外范围(通常认为是700nm至1400nm)的波长操作的固态激光束。另外，激光束28具有功率水平能力，如果需要，该功率密度能够在连结方法的执行期间获得足以在顶部金属工件12内产生孔眼的功率密度。在顶部金属工件12内产生孔眼所需的功率密度可以在0.5mw/cm²至1.5mw/cm²的范围内，这取决于基础金属基材32的组成。

可以与远程激光焊接设备18结合使用的合适的固态激光束的一些示例包括光纤激光束、盘激光束和直接二极管激光束。优选的光纤激光束是二极管泵浦激光束，其中激光增益介质是掺杂有稀土元素(例如，铒、镱、钕、镝、镨、铥等)的光纤。优选的盘激光束是二极管泵浦激光束，其中增益介质是掺杂有稀土元素(例如，涂有反射表面的掺杂镱铝的石榴石(yb：yag)晶体)并安装在散热器上的薄激光晶体盘。并且优选的直接二极管激光束是衍生自多个二极管的组合激光束(例如，波长组合)，其中增益介质是多个半导体，比如基于砷化铝镓(algaas)或砷化铟镓(ingaas)的半导体。可以产生每个这些类型的激光器以及其他变型的激光发生器是可商购的。当然可以使用此处未具体提及的其他固态激光束。

扫描光学激光头44包括镜子48的布置，其可以操纵激光束28并且因此沿着顶部金属工件12的可触及外表面20在至少部分地包围重叠的焊接区域16的操作包络线内传送光束斑281。这里，如图1所示，在操作包络线内的顶部金属工件12的可触及外表面20上的光束斑281的位置由三维坐标系的“x”和“y”坐标识别。除了镜子48的布置之外，扫描光学激光头44还包括z轴聚焦透镜50，其可以沿着激光束28的纵向轴线54移动激光束28的焦点或腰部52(图3)，以因此改变焦点52在相同三维坐标系的z方向上的位置。此外，为了防止灰尘和碎屑不利地影响光学系统部件和激光束28的完整性，盖滑动件56可以位于扫描光学激光头44下方。盖滑动件56保护镜子46和z轴聚焦透镜50的布置不受周围环境的影响，同时允许激光束28从扫描光学激光头44中出来而不会受到实质性干扰。

镜子48和z轴焦距镜头50的布置在远程激光焊接设备18的操作期间协作，以指示激光束28及其光束斑281在操作包络线内的所需移动以及焦点52沿着光束28的纵向轴线54的位置，如果确实需要这样的移动。更具体地，镜子48的布置包括一对可倾斜的扫描镜58。每个可倾斜扫描镜58安装在检流计60上。两个可倾斜的扫描镜58可以相对于通过由检流计60执行的精确协调的倾斜运动的操作包络线的x-y平面移动光束斑281的位置，从而改变激光束28与顶部金属工件12的可触及外表面20相交的点。同时，z轴聚焦透镜50控制激光束28的焦点52的位置，以有助于以正确的功率密度施加激光束28。所有这些光学元件50、58可以在几毫秒或更短的时间内快速转位，以使激光束28的光束斑281相对于顶部金属工件12的可触及外表面20沿着投射到顶部金属工件12的可触及外表面20上的简单的或复杂的几何形状的光束行进图案前进，如果需要，同时控制焦点52的位置。

将远程激光焊接与其他传统形式的激光焊接区分开的特征是激光束28的焦距。这里，如图1所示，激光束28具有焦距62，该焦距62被测量为焦点52和最后一个可倾斜扫描镜58之间的距离，该距离在激光束28离开扫描光学激光头44之前截取并反射激光束28。激光束28的焦距62优选地在0.4米到2.0米的范围内，焦点52的直径通常在100μm到700μm的范围内。通过改变z轴聚焦透镜52的位置可以容易地调节焦距62。相比之下，在传统的激光焊接中，发散激光束被准直然后通过透镜或镜子聚焦到工件堆叠组件，激光束的焦距通常在100mm到400mm的范围内，或者更窄地，在200mm到300mm的范围内，焦点直径通常在0.5mm到4.0mm的范围内。

仍然参考图1-4，顶部金属工件12和下部金属工件14可以通过使用激光束28作为集中热源来连结，以熔化顶部金属工件12的一部分以从顶部金属工件12(图4)产生熔融金属材料64，该熔融金属材料64流入在下部金属工件14内限定的至少一个侵入式中空特征部36内并最终固化。特别地，连结方法包括首先提供工件堆叠组件10。一旦提供堆叠组件10，顶部金属工件12就被焊接激光束28’熔化，该焊接激光束28’由远程激光焊接设备18传输并引导向顶部金属工件12的可触及外表面20。通过熔化顶部金属工件12而产生并流入由下部金属工件14限定的至少一个侵入式中空特征部36的熔融金属材料64然后被固化成焊接接头66，该焊接接头66冶金地将顶部和下部金属工件12、14固定在一起。这里使用的术语“焊接激光束”具体是指当激光束28用于熔化顶部金属工件12的一部分以产生渗透至少一个侵入式中空特征部36的熔融金属材料64时从远程激光焊接设备18发出的激光束28。

工件堆叠组件10可以通过以下方式提供：首先，在下部金属工件14中形成至少一个侵入式中空特征部36(在该特定实施例中示出为通孔40)，然后将下部金属工件14和顶部金属工件12组装入堆叠组件10。至少一个通孔40可以以多种方式形成。在一种方法中，例如，由远程激光焊接设备18传输的成形激光束28”可以指向下部金属工件14，如图2所示，以在将下部金属工件14组装到工件堆叠组件10中之前产生每个通孔40。具体地，在需要通孔40的每个位置处，成形激光束28”被引导并照射可触及外表面24或搭接面26以熔化通过金属工件14并排出所得到的材料，使得通孔40限定在下部金属工件14中。可以容易地调整成形激光束28”的光束斑的功率密度、光束传输时间和/或移动以形成通孔40。这里使用的术语“形成激光束”具体是指当激光束28用于在下部金属工件14中形成至少一个侵入式中空特征部36时从远程激光焊接设备18发出的激光束28。

因此，术语“焊接激光束”和“形成激光束”用于区分在连结方法中由远程激光焊接设备18传输的激光束28的使用。为此，将激光束指定为“焊接激光束”和“成形激光束”以及它们各自的附图标记28’、28”不一定用于表示激光束类型的差异-尽管在焊接激光束和成形激光束从不同的远程激光焊接设备传输的其他替代实施例中没有排除这种区别，但是意味着在整个连结方法的不同时间区分激光束28的使用，并且在整个连结方法中区分其功能(即，在焊接接头建立期间形成至少一个侵入式中空特征部与熔化顶部金属工件)。因此，由附图标记28标识的激光束指示焊接激光束28’和形成激光束28”中的每一个如何被远程激光焊接设备18传送和潜在地操纵。

除了使用成形激光束28”之外，通孔40可以通过其他技术形成。例如，在另一种合适的方法中，每个通孔40可以通过比如钻孔或螺纹连结的机械技术形成在下部金属工件14内。特别地，在需要通孔40的每个位置处，旋转钻头或旋转螺钉可以通过下部金属工件14从可触及外表面24驱动到搭接面26，或者反之亦然，以移除材料，使得通孔40限定在下部金属工件14中。在其他方法中，通孔40可以通过用冲压工具刺穿下部金属工件14或者通过用切割工具剪切下部金属工件14来形成。此处未明确讨论但在工业上已知的其他金属加工方法也可用于在下部金属工件14内形成通孔40。

在下部金属工件14中形成至少一个侵入式中空特征部36之后，将顶部金属工件12和下部金属工件14放在一起并组装到工件堆叠组件10中，如图3所示。合适的夹具设备或其他金属工件定位设备可用于在组装状态下将金属工件12、14保持在一起以准备连结。当组装到堆叠组件10中时，顶部金属工件12和下部金属工件14重叠以限定重叠的焊接区域16，其中顶部金属工件12覆盖如前所述的在下部金属工件14中限定的至少一个侵入式中空特征部36。现在准备通过远程激光焊接设备18的操作来连结工件堆叠组件10，其中激光束28用作焊接激光束28’。为此，工件堆叠组件10可以被运输到与远程激光焊接设备18相关联的工作站并且相对于远程激光焊接设备18适当地定向，使得顶部金属工件12和下部金属工件14相应地定位。

如图1和4最佳描绘的那样，顶部金属工件12和下部金属工件14然后在焊接激光束28’的帮助下连结在一起，这提供了执行连结方法所需的集中热源。焊接激光束28’被引导并照射顶部金属工件12的可触及外表面20，并且根据侵入式特征部的尺寸和潜在分组，焊接激光束28’的光束斑281’沿着预定的光束行进图案相对于可触及外表面20在可触及外表面20处训练或者前进。焊接激光束28’的能量被顶部金属工件12吸收，以在工件12中快速产生热量，并将顶部金属工件12的一部分熔化在下部金属工件14中限定的至少一个侵入式中空特征部36上方。来自顶部金属工件12的所得熔融金属材料64流入至少一个侵入式中空特征部36中并润湿下部金属工件14的内表面38，该内表面38限定至少一个侵入式中空特征部36。在某些情况下，特别是当顶部金属工件12和下部金属工件14分别是铝质和钢质工件时，金属间层68可以沿着下部金属工件14的内表面38形成，其中来自下部金属工件14的金属(例如，铁)扩散到熔融金属材料64(例如，熔融铝)中。

来自顶部金属工件12的流入至少一个侵入式中空特征部36的熔融金属材料64最终被允许在至少一个侵入式中空特征部36内固化，以建立冶金地将顶部和下部金属工件12、14固定在一起的焊接接头66。焊接接头66基本上是具有外表面72的螺柱70，该外表面72被钎焊到在下部金属工件14中限定的至少一个侵入式中空特征部38的内表面38。除了在螺柱70和下部金属工件14的内表面38之间建立的钎焊接头之外，在至少一个侵入式中空特征部36内的螺柱70和对由于螺柱70以及下部金属工件14之间的钎焊接头导致的它们之间的相对运动的固有约束的装配接收为焊接接头66提供机械互锁部件，该机械互锁部件与钎焊接头一起提升良好的接合强度。通过停止焊接激光束28’的传输或者将焊接激光束28’的光束斑281’从熔融金属材料64重新定位到顶部金属工件12的另一个隔热部分可以使熔融金属材料64冷却并固化到螺柱70中。

因为顶部金属工件12的熔融金属材料64向下流入在下部金属工件14中限定的至少一个侵入式中空特征部36中，所以可能出现顶部金属工件12在形成焊接接头66的区域中经历过多变薄的情况。在这些情况下，如图4所示，填充焊丝74可任选地用于将熔融填充材料76引入顶部金属工件12的熔融金属材料64中，以便至少部分地保持顶部金属工件12的厚度121。在使用中，填充焊丝74可以相对于焊接激光束28’定位，使得填充焊丝74被焊接激光束28’照射和熔化，以产生熔融填充材料76。根据需要，填充焊丝74可以向前送入焊接激光束28’的路径，以产生一定量的熔融填充材料76，该熔融填充材料76与顶部金属工件12的熔融金属材料64混合并且至少部分地抵消渗透至少一个侵入式特征部36的熔融金属材料64的量。填充焊丝74可以由合金构成，该合金的主要合金成分与顶部金属工件12的基础金属基材32的主要成分相同。例如，如果顶部金属工件12是铝质工件，则填充焊丝74优选地由比如al-si-mg合金的铝合金构成。填充焊丝74可以通过焊接激光束28’在有或没有惰性保护气体的情况下被照射和熔化。

如前所述，当顶部金属工件12是铝质工件并且下部金属工件14是钢质工件时，连结方法特别有用。在那种情况下，焊接激光束28’被引导并照射铝质工件的可触及外表面20并熔化铝质工件的一部分以产生熔融铝材料。熔融铝材料流入限定在下部钢质工件中的至少一个侵入式中空特征部36中并且润湿限定至少一个侵入式中空特征部36的钢质工件的内表面38。当在熔融铝材料在至少一个侵入式特征部36内固化时，建立焊接接头66，其中螺柱70的外表面72被钎焊到钢质工件的内表面38上，该内表面38限定至少一个侵入式特征部36。并且，由于铁扩散到渗透至少一个侵入式中空特征部36的熔融铝材料中，金属间层68通常将存在，并且可以包括fe-al金属间化合物，比如feal3化合物、fe2al5化合物，并且可能包括其他fe-al金属间化合物。

以上结合图1-4描述的连结方法当然会是有各种变化的。例如，如图5-6所示，侵入式中空特征部36可以是通孔140，并且限定通孔140的下部金属工件14的内表面138可以是锯齿状的。锯齿状内表面138包括一个或多个凹口178，该凹口178轴向间隔开并且至少部分地沿着内表面138的周边延伸。当顶部金属工件12熔化并且顶部金属工件的熔融金属材料64流入通孔140时，如图6所示，熔融金属材料64填充锯齿状内表面138的凹口178并最终在其中固化。这样，焊接接头166的螺柱170包括径向翅片180，其增加焊接接头166的机械互锁部件，并且特别地，当受到包括剪切、拉伸、剥离和交叉张力负载的各种类型的负载时用于加强接头166。如果担心可能形成的金属间化合物层68(图4)太硬和太脆，则锯齿状内表面138可能是有用的。有几种不同的技术可用于形成锯齿状内表面138，包括使用旋转螺钉在下部金属工件14内形成通孔140。

作为另一个示例，现在参考图7-8所示，侵入式中空特征部36可以是腔室280，当顶部和下部金属工件12、14组装到工件堆叠组件10中时，该腔室280通向顶部金属工件12的相邻的搭接面22。腔室280仅部分地横穿下部金属工件14的厚度141，并且因此充当包含来自顶部金属工件12的熔融金属材料64的盆件，以确保熔融金属材料64都不流过下部金属工件14。腔室280在下部金属工件14的搭接面26处的直径2801可以类似于上面结合图2-4描述的通孔40的直径，并且当该腔室远离搭接面26和上覆顶部金属工件12延伸到下部金属工件中时可以逐渐变细。另外，如图所示，限定腔室280的内表面282可以是锯齿状的，使得内表面282包括一个或多个凹口284，该凹口284轴向间隔开并且至少部分地沿着内表面282的周边延伸。内表面282可以出于同样的原因呈锯齿状，并实现与前述相同的目的；也就是说，当顶部金属工件的熔融金属材料64流入腔室280时，如图8所示，熔融金属材料64填充锯齿状内表面282的凹口284并最终在其中固化，使得焊接接头266的螺柱270包括径向翅片286，该径向翅片286增加接头266的机械互锁部件。

此外，如图9-11所示，至少一个侵入式中空特征部36(例如，通孔40、通孔140、腔室280等)可包括多个侵入式中空特征部36，这些中空特征部36组合在一起并包含在跨越下部金属工件14的搭接面26的表面区域42内(也参见图1)。多个侵入式中空特征部36可以包括相同或不同种类的三到十五个侵入式中空特征部34的任何地方。另外，如图9-11中的每个所示，多个侵入式中空特征部36可以布置在光束行进图案390的一个或多个焊接路径388上，该焊接路径388在顶部金属工件12的熔化期间由焊接激光束28’沿着顶部金属工件12的可触及外表面20描绘。焊接路径388可以是圆形焊接路径(如图所示)，或者它可以是包括线性焊接路径、c形短焊路径、螺旋焊接路径或任何其他形状焊接路径的另一种类型的焊接路径。通过在一个或多个焊接路径388上布置多个侵入式中空特征部36，可以在包含侵入式中空特征部36的下部金属工件14的搭接面26的表面区域42上减轻顶部金属工件12的变薄，这可以在如果仅实施单个侵入式中空特征部则可能需要填充焊丝的地方避免使用填充焊丝。

除了顶部和下部金属工件12、14之外，工件堆叠组件10还可以包括另一个附加的金属工件，如图12-13所示。暂时参考图12，工件堆叠组件10的替代实施例包括顶部金属工件412、第一下部金属工件414和第二下部金属工件492。当组装到工件堆叠组件10中时，顶部金属工件412上覆第一下部金属工件414并且包括由焊接激光束28’照射的可触及外表面420。第一下部金属工件414反过来又上覆第二下部金属工件492。在这方面，所有三个金属工件412、414、492重叠以限定重叠焊接区域16(图1)，第一下部金属工件414的第一搭接面426面对顶部金属工件412的搭接面422，以建立面对第二下部金属工件492的搭接面496以建立第二搭接界面498的第一下部金属工件414的第一搭接界面430和第二搭接面494。第一和第二搭接界面430、498包括如前所述的相对的搭接面422、426、494、496之间的相同范围的重叠关系。

上面提供的顶部金属工件12和下部金属工件14的描述分别同样适用于顶部金属工件412和第一底部金属工件414，其结合图12-13示出，因此，除非另有说明，否则在此处完全适用。第二下部金属工件492可以与顶部金属工件412相同或者与第一下部金属工件414相同，在这种情况下，顶部或下部金属工件12、14的上述描述适用，或者它可以具有不同的组成。在顶部金属工件412是铝质工件并且第一下部金属工件414是钢质工件的实施例中，例如，第二下部金属工件492可以是铝质工件，但当然，它也可以是另一种类型的金属工件，比如钢质工件。为了形成冶金地固定顶部、第一下部金属工件412和第二下部金属工件412、414、492的焊接接头466，第一下部金属工件414和第二下部金属工件492中的每一个包括当顶部金属工件412的一部分在侵入式中空特征部436’、436”上方熔化时，可以从顶部金属工件412接收熔融金属材料64的至少一个侵入式中空特征部436’、436”。

在第一下部金属工件414中限定的至少一个侵入式中空特征部436’是由类似于图2-4中所示的第一下部金属工件414的内表面438限定的通孔440。限定在第一下部金属工件414中的通孔440与限定在第二下部金属工件492中的至少一个侵入式中空特征部436”连通，以提供导管，来自顶部金属工件412的熔融金属材料64可以通过该导管流动并且到达限定在第二下部金属工件492中的侵入式中空特征部436”。对于限定在第二下部金属工件492中的侵入式中空特征部436”，它可以是如上所述的通向第一下部金属工件414的相邻搭接面494的通孔或腔室。限定在第一下部金属工件414中的限定通孔440的内表面438和在第二下部金属工件492中限定通孔或腔室的内表面500中的每一个可以是锯齿状的，或者不是锯齿状的，原因是如上所述的关于最终形成的焊接接头466中的机械互锁的增强。如果需要，也可以采用第一和第二下部金属工件414、492中的多个侵入式中空特征部436’、436”，如图9-11所示。

顶部、第一下部金属工件412和第二下部金属工件412、414、492的连结以与上述大致相同的方式完成。实际上，在将工件412、414、492组装到工件堆叠组件10中之后，用作集中热源的焊接激光束28’被引导向并照射顶部金属工件412的可触及外表面420，以熔化顶部金属工件412的一部分，如图13所示。顶部金属工件412的所得熔融金属材料64流入并穿过限定在第一下部金属工件414中的通孔440并进入限定在第二下部金属工件492中的侵入式中空特征部438”(通孔或腔室)中。熔融金属材料64润湿在第一下部金属工件414中限定的通孔440的内表面438，并与在第二下部金属工件492中限定的侵入式中空特征部438”的内表面500一起润湿或混合，这取决于第二下部金属工件492的基础金属基材的组成。熔融金属材料还可以填充可以由内表面438、500限定的任何凹口。允许熔融材料64固化成焊接接头466，该焊接接头466的特征在于具有外表面472的螺柱470，该外表面472被钎焊到通孔440的内表面438并被钎焊或熔合(取决于第二下部金属工件492的基础金属基材的组成)到由第二下部金属工件414限定的侵入式特征部438″的内表面500。

尽管未在文中明确描述并在附图中示出，但是以上结合图1-13描述的连结方法的其他变型和调整当然是可能的。例如，并返回参考图1-4，用焊接激光束28’熔化顶部金属工件12的一部分，该焊接激光束28’优选地用作集中热源，可以通过将焊接激光束28’引导向顶部金属工件的可触及外表面20并照射可触及外表面20以根据需要直接在顶部金属工件12内产生热量以引起熔化来实现。然而，在其他情况下，金属工件可以设置在顶部金属工件12上方，使得焊接激光束28’首先照射顶层金属工件并且熔化通过上覆金属工件进入顶部金属工件12或在顶层金属工件中产生足够的热量，以在顶部金属工件12中引起熔化，从而产生渗透到下部金属工件14中限定的至少一个侵入式中空特征部36的熔融金属材料64。在金属工件上覆顶部金属工件12的情况下，额外的上覆金属工件优选地具有与顶部金属工件12相同的基础金属组成；也就是说，如果顶部金属工件12是铝金属工件，则额外的上覆金属工件也可以是与上面描述的与顶部金属工件12相关的相同一般类型的铝质工件。

以上对优选示例性实施例和具体示例的描述本质上仅是描述性的；它们并非旨在限制随后的权利要求的范围。除非在说明书中另外明确地和明确地陈述，否则所附权利要求中使用的每个术语应当给出其普通和惯用的含义。